一种串并联耦合的多自由度光学元件精密调节平台

1.本发明涉及一种光学元件的调节平台，尤其涉及一种串并联耦合的多自由度光学元件精密调节平台。


背景技术：

2.光电测量系统/设备是国家防务、科学探索及社会民生等领域的重要支撑，而光学系统作为光电测量设备的眼睛，其性能指标的优劣决定了光电测量系统/设备的效能。光学系统本质上而言是通过不同形式光学元件的精密布局，对光能的调控与再分布，其性能指标的实现依赖于光学元件的高精度(um、nm级)空间排布。
3.空间非合作目标的复杂化、机动化，要求光学系统相对更大的视场、更高的视轴(los)稳定精度；空对地目标搜索需要更高效率的大范围推扫；公共交通记录监视需要对更多目标进行高分辨成像、探测。上述更大视场、更高扫描效率、更高分辨等光学相关性能指标的实现，均以光学元件空间位置精准操控为实现手段。
4.科技的不断进度，对光学系统提出了日趋高的性能指标要求，传统的光学元件调节平台已无法满足当前光学元件精准调控的需求。
5.传统的快速反射镜通常仅能调节两维旋转自由度，对有调焦动作(通常沿光轴平移方向)的需求无能为力；
6.而典型扫描机构仅能实现平面内二维平移，无法调节旋转量；
7.成熟的商业化stewart六自由度调整台，可实现多自由度调节，但由于其高度耦合的动力学模型，导致死点、失稳等奇异特性，需要进行复杂精密的运动学求解，对控制系统提出了较高的要求，系统复杂度较高。


技术实现要素：

8.为解决传统的光学元件调节平台无法同时兼顾多自由度的精密调节，以及调节平台自身低复杂度、高可靠性的问题，本发明提供了一种串并联耦合的多自由度光学元件精密调节平台。
9.本发明的基本实现原理是：
10.选择微纳直线电机作为驱动元件，以柔顺单元为基础作为载荷的支撑和导向机构，实现光学元件的多维高精度调节。
11.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
12.一种串并联耦合的多自由度光学元件精密调节平台，其特征在于：包括支撑座、一级调整机构以及二级调整机构；
13.支撑座用于安装被调节光学元件；
14.一级调整机构包括一级框架以及第一微纳级驱动组件；
15.一级框架包括上层导向片、支撑柱以及下层底板；上层导向片与下层底板平行设置，且上层导向片与下层底板之间通过三个支撑柱连接；上层导向片上安装支撑座；
16.第一微纳级驱动组件至少为三个，且均匀安装于一级框架的下层底板上，至少三个第一微纳级驱动组件的柔性驱动端均穿过上层导向片与所述支撑座连接；
17.二级调整机构包括第二微纳级驱动组件、柔性导向杆及基座；
18.第二微纳级驱动组件为两个，且均固定安装于基座上，第二微纳级驱动组件的驱动端均与所述下层底板连接，
19.柔性导向杆至少为三根，且均匀分布；柔性导向杆的一端与基座固连，另一端穿过所述下层底板后与所述支撑柱的侧耳固定连接；
20.在至少三个第一微纳级驱动组件的驱动下，上层导向片约束下，以及柔性导向杆的导向作用下，支撑座具有绕x、y轴的转动及沿z向的平移的自由度；
21.在两个第二微纳级驱动组件的驱动，以及柔性导向杆作用下，支撑座具有沿x、y轴平移的自由度。
22.进一步地，上述上层导向片采用慢走丝一体化加工成型，且上层导向片六个方向的刚度需满足以下条件：
[0023][0024]
其中，k
x1
，k
y1
，k
z1
分别表示上层导向片沿x、y、z三个方向的平移刚度；k
rx1
，k
ry1
，k
rz1
分别表示上层导向片绕x、y、z三个方向的旋转刚度；
[0025]
进一步地，上层导向片的厚度小于1.5mm。
[0026]
进一步地，上述第一微纳级驱动组件包括第一微纳级直线电机以及柔性杆；柔性杆的下端与第一微纳级直线电机位移输出端连接，柔性杆的上端穿过上层导向片后与支撑座连接。
[0027]
进一步地，上述柔性杆包括自上而下依次设置的顶部、变形部以及固定部；所述顶部用于与所述支撑座连接，所述变形部用于提供z向平移的位移量，以及绕x，y轴旋转的旋转量，所述固定部用于与微纳级直线电机位移输出端连接。
[0028]
进一步地，上述变形部的长度l1及直径φd1需满足的条件为：
[0029]
进一步地，上述柔性导向杆包括自上而下依次设置的导向段、变形段以及固定段；所述导向段与所述支撑柱的侧耳固定连接，所述变形段用于提供x，y方向的平移位移量，所述固定段用于与基座固连。
[0030]
进一步地，上述变形段的长度l2及直径φd2需满足的条件为：
[0031]
进一步地，上述第二微纳级驱动组件为第二微纳级直线电机。
[0032]
进一步地，上述支撑座为设置有镂空减重孔的三角形结构，其采用涂胶的方式固定被调整光学元件。
[0033]
本发明的有益效果在于：
[0034]
1、本发明基于一级调整机构的上层导向片、柔性杆，以及二级调整机构的柔性导向杆，再结合微纳级直线电机构成了柔性构型的串并联调整平台，相比于传统直线轴承、导轨、铰链等结构形式，其变形主要建立在结构件薄弱环节的弹性变形上，完全消除了运动中的摩擦和粘滞，同时其免维护，可在真空、高低温等多种环境中使用，没有特殊的润滑需求，也完全避免了对光学系统的干扰和污染。
[0035]
2、本发明采用的一级调整机构和二级调整机构基本实现了无摩擦构型，具有很高的动作分辨率，可以在弹性变形范围内实现高频、高精度、高分辨的动作调整。
[0036]
3、本发明用串并联形式的两级调整结构，相比于经典stewart平台，其建模及驱动控制将极大简化，尤其适用于指标定制化程度较高的场合.
[0037]
4、本发明的调整平台零部件数量少、结构形式简单紧凑，采用一体化加工制造，无拦光效应，同时便于装配调试，与光学元件接口可灵活定制。
[0038]
5、本发明的采用微纳级直线电机作为驱动源，可在毫米级调节范围内，达到纳米级调节精度，相比于存在间隙的丝杠等传统调节方式，精度显著提高。
附图说明
[0039]
图1为本发明的结构示意图。
[0040]
图2为图1的剖视图。
[0041]
图3为未安装光学元件时的装配立体图。
[0042]
图4为一级框架的结构图。
[0043]
图5为一级调整结构的俯视示意图；
[0044]
图6为二级调整结构的俯视示意图；
[0045]
图7为柔性杆的示意图。
[0046]
图8为柔性导向杆的示意图。
[0047]
附图标记如下：
[0048]
1-光学元件、2-支撑座、3-一级调整机构、4-二级调整机构、5一级框架、6-第一微纳级驱动组件、7-上层导向片、8-支撑柱、9-下层底板、10-第一微纳级直线电机、11-柔性杆、111-顶部、112-变形部、113-固定部、12-第二微纳级驱动组件、13-柔性导向杆、131-导向段、132-变形段、133-固定段、14-基座。
具体实施方式
[0049]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
[0050]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0051]
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0052]
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接：同样可以是机械连接、电连接或直接连接，
也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0053]
本发明提供的串并联耦合的多自由度光学元件精密调节平台，分为串接的一级调整机构和二级调整机构，通过一级调整机构中的第一微纳级驱动组件可驱动光学元件沿z方向平移，以及绕x，y两个方向旋转，通过二级调整机构中的第二微纳级驱动组件可驱动光学元件沿x，y两个方向平移，从而实现光学系统中光学元件空间位置多维高精度调节，进而提高光学系统性能指标。
[0054]
需要说明的是：本实施例中z方向为光学元件的光轴方向，x，y方向为垂直与光轴方向的两个方向；
[0055]
如图1-3所示，一种串并联耦合的多自由度光学元件精密调节平台的具体结构为：包括支撑座2、一级调整机构3以及二级调整机构4；
[0056]
支撑座2用于安装被调节光学元件1，并与光学元件1共同组成该精密调整平台的调整对象，采用具有镂空减重孔的三角形结构作为轻量化设计，被调整光学元件与支撑座采用环氧胶可靠固连并保证光学表面面型精度。
[0057]
一级调整机构3包括一级框架5以及第一微纳级驱动组件6；
[0058]
如图4所示，一级框架5包括上层导向片7、支撑柱8以及下层底板9；上层导向片7与下层底板9平行设置，且上层导向片7与下层底板9之间通过三个支撑柱8连接；上层导向片7上安装支撑座2；
[0059]
本实施例中，上层导向片7采用慢走丝一体化加工成型，一般上层导向片7的厚度小于1.5mm，其在6个自由度上的刚度为需要满足以下条件：
[0060][0061]
其中，k
x1
，k
y1
，k
z1
分别表示上层导向片沿x、y、z三个方向的平移刚度；k
rx1
，k
ry1
，k
rz1
分别表示上层导向片绕x、y、z三个方向的旋转刚度；
[0062]
第一微纳级驱动组件6为三个，且均匀安装于一级框架的下层底板9上，三个第一微纳级驱动组件6的柔性驱动端均穿过上层导向片7与所述支撑座2连接；
[0063]
具体来说，如图7所示，第一微纳级驱动组件6包括第一微纳级直线电机10以及柔性杆11；柔性杆11包括自上而下依次设置的顶部111、变形部112以及固定部113；顶部111用于与所述支撑座2连接，变形部112用于提供z向平移的位移量，以及绕x，y轴旋转的旋转量，固定部113用于与第一微纳级直线电机10位移输出端连接，且柔性杆11的变形部112的长度l1及直径φd1需满足的条件为：
[0064]
由于柔性导向杆在绕x轴及y轴弯曲上具有较大柔度，沿z向拉压方向具有较大刚度，结合上层导向片3的刚度特性，其释放绕x、y轴旋转及z轴平移自由度。
[0065]
二级调整机构4包括第二微纳级驱动组件12、柔性导向杆13及基座14；
[0066]
第二微纳级驱动组件12为两个，且均固定安装于基座14上，第二微纳级驱动组件12的驱动端均与所述下层底板9连接；本实施例中第二微纳级驱动组件12为第二微纳级直线电机；
[0067]
具体来说，如图8所示，柔性导向杆13为三根，且均匀分布；柔性导向杆13包括自上
而下依次设置的导向段131、变形段132以及固定段133；导向段131与所述支撑柱8的侧耳81固定连接，变形段132用于提供x，y方向的平移位移量，固定段133用于与基座14固连，且柔性导向杆的变形段132长度l2及直径φd2需满足的条件为：
[0068]
柔性导向杆的抗弯截面系数w及拉压刚度ea可描述为：
[0069][0070]
由于柔性导向杆在x、y方向上较大的弯曲柔度，其释放了x、y方向的平移自由度，约束了其余自由度。
[0071]
基于上述对调整平台整体结构及各个部件的描述，现对该调节平台该的装调过程进行介绍：
[0072]
装配过程
[0073]
首先，将支撑座2与上层导向片7对应位置固连，将三个柔性杆11分别与三个第一微纳级直线电机10连接形成三个第一微纳级驱动组件6，并将三个第一微纳级驱动组件6安装于下层底板9上，且与支撑座2上三处连接点位置对应，将支撑座2、上层导向片7与三个第一微纳级驱动组件6进行连接，最后利用环氧胶将光学元件1固连于支撑座2上；
[0074]
然后将两个第二微纳级直线电机12安装于基座14上，如图4右所示，再将3处柔性导向杆13安装于基座14上，并与所述支撑柱8的位置相对应，最后将3处柔性导向杆13与支撑柱8的侧耳81固定连接，形成串并联耦合的多自由度精密调节平台。
[0075]
使用过程
[0076]
一级调整机构的过程过程为：
[0077]
3个圆周均布第一微纳级直线电机10的协同驱动，通过上层导向片7及柔性杆11的组合变形，可实现光学元件1三个自由度调整。该过程具体为：参见图1和图5，两个第一微纳级直线电机10(图中a电机和b电机)同向等值驱动，另外一个第一微纳级直线电机10(图中c电机)反向驱动，可实现绕x轴的旋转动作；或者两个第一微纳级直线电机0(图中a电机和c电机)反向等值驱动，另外一个第一微纳级直线电机10(图中b电机)不参与运动，可实现绕y轴的旋转动作；三个第一微纳级直线电机10的同向等值驱动，可实现沿z轴的平动；
[0078]
二级调整机构的过程过程为：
[0079]
通过第二微纳级直线电机的驱动，结合柔性导向杆13的变形，实现二级调整机构4的二自由度运动，具体为：参见图1和图6，在一个第二微纳级直线电机驱动下，可实现一级调整机构3、支撑座2及光学元件1均沿x向的平移调整，在另一个第二微纳级直线电机驱动下，可实现一级调整机构3、支撑座2及光学元件1均沿y向的平移调整；
[0080]
由以上可知，本发明的一、二级调整机构在本级内都属于并联耦合调整，而在两级调整机构之间属于串联连接。级内耦合运动可通过解耦算法精确控制，级间串联连接具有一对一的解耦关系，简单易控。串并联耦合的一体化调整台，在保证多自由度精准调节的前提下，所需控制系统更为简洁。